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1.3 课题的建立以及本文完成的主要工作
在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：事先经过车流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。 目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。为此，需要一种新型的控制方法才能较好地解决这个问题。
智能交通系统（ITS——Intelligent Transport Systems）ITS 是一个跨学科、信息化、系统化的综合研究体系，其主要内容是：将先进的人工智能技术、自动控制技术、计算机技术、信息与通讯技术及电子传感技术等有效的集成，并应用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。交通控制系统是ITS研究的一个重要方面。由于交通系统具有较强的非线性、模糊性和不确定性，是一个典型的分布式非线性系统，而且具有多种信息来源、多种传感器的特点，用传统的理论与方法很难对其进行有效的控制。把先进的智能控制技术、信息融合技术、智能信息处理技术与交通管理技术结合起来，代表着城市交通信号控制系统发展的方向。智能交通的发展是现代社会经济发展的客观要求，交通运输是国民经济和现代社会发展的基础。由于现代社会城市化速度越来越快、国民经济的高速增长、全球经济的一体化进程加快、个人旅行与休闲时间的不断增加以及人们对交通需求越来越高，智能交通便成为现代社会经济发展的客观要求，又由于PLC技术相较于单片机技术和继电器技术有如下优点：功能强、性价比高、硬件配备齐全、易操作、适应性强、可靠性高、编程调试简单、体积小、能耗小、维修方便等等。
所以课题选用先进的西门子公司的小型PLC设备S7-200作平台。以交通信号监控系统为整套设计方案的中心，提出一套可行性方案。其中具体包括：
1．能控制十字路口东西南北的通行，通过定时器控制通行和禁止通行的时间； 2．利用PLC的相关知识实现交通高峰低峰的通行时间的智能调整； 3．在智能交通信号控制系统中加入电子警察抓拍违章系统。
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第二章 可编程程序控制器（PLC）的概要
2.1 PLC的定义及由来
1. PLC 的定义
可编程控制器Programmable Controller是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器Programmable Logic Controller，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机Personal Computer的简称混淆，所以将可编程控制器简称 PLC。 PLC 问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电器制造商协会NEMA（ National ElectricalManufactory Association）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（Programmable Controller），并给PC作了如下定义:PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC子功能，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了 PLC 标准的草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
2. PLC 的由来
早期工业生产中广泛使用的电气自动控制系统是继电器-接触器控制系统，简称继电器控制系统，随着20世纪工业生产的迅速发展，市场竞争越来越激烈，工业产品更新换代的周期日趋缩短，新产品不断涌现，传统的继电器控制系统难以满足现代社会小批量、多品种、低成本、高质量生产方式的生产控制要求，为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，也就是就是著名的“GM10条”，即：
（1）编程方便，现场可修改程序；
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（2）维修方便，采用模块化结构； （3）可靠性高于继电器控制装置； （4）体积小于继电器控制装置； （5）数据可直接送入管理计算机； （6）成本可与继电器控制装置竞争； （7）输入可以是交流115V；
（8）输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等； （9）在扩展时，原系统只要很小变更； （10）用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可行性高，使用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制。于1977年开始工业应用。
2.2 PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构与微型计算机从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。其结构如图2-1所示。
1.中央处理单元CPU
中央处理单元CPU是PLC的控制中枢，它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器 I/O 以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。为了进一步提高 PLC 的可靠性近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统或采用三CPU的表决式系统，这样即使某个CPU出现故障整个系统仍能正常运行。CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC 至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的
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方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。 编程器 输入 电路 中央处理单元 （CPU） 系统程序存储器 系统程序存储器
进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC 的工作速度、I/O 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
2.存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器，存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
PLC常用的存储器类型RAM Random Assess Memory，这是一种读/写存储器随机存储器 ，其存取速度最快，由锂电池支持。EPROM Erasable Programmable Read Only Memory，这是一种可擦除的只读存储器，在断电情况下存储器内的所有内容保持不变在紫外线连续照射下可擦除存储器内容。EEPROMElectrical Erasable Programmable Read OnlyMemory，
图2-1 PLC基本结构图
输出
电路
电源
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这是一种电可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。
PLC存储空间的分配虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区； 系统RAM存储区包括 I/O映象区和系统软设备等。
3.电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视，一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内可以不采取其他措施，而将PLC直接连接到交流电网上去。
4.I/O模块
PLC与电路回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的，I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反应输入信号状态，输出点反应输出锁存器状态。输入模块将电信号转换进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO）,模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
5.PLC系统的其他设备
编程设备：编程器是PLC开发应用、监控运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程并对系统做一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不参与现场控制运行。小编程PLC一般有手持型编程器，一般由计算机（运行编程软件）充当编程器，也就是我们所说的上位机。
人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏式）的一体式操作员终端应用越来越广泛，有计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普遍。
6.PLC的通信联网
依靠先进的工业网络技术可以迅速有效的收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出“网络就是控制器”的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一整体实现分散集中控制。现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆可以在几公里甚至几十公里范围内交换信息。
当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通信与联网。
7.外部设备
外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类：
(1)编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统做一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。
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